高勝利，魏 宏，劉天福

(天津城建設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300073)

帶帽樁—網(wǎng)復(fù)合地基是指在地基處理過程中，下部土體得到豎直向增強(qiáng)體“樁”的加強(qiáng)從而形成樁土復(fù)合地基加固區(qū)，上部鋪設(shè)水平向增強(qiáng)體“網(wǎng)”從而形成加筋土復(fù)合地基加固區(qū)，并在樁體設(shè)置樁帽以使荷載合理分布，使網(wǎng)—樁—土協(xié)同作用、共同承擔(dān)荷載的人工地基。帶帽樁-網(wǎng)復(fù)合地基自20世紀(jì)80年代在國外開始應(yīng)用于高速公路地基處理以來，在高速公路和鐵路中得到越來越多的應(yīng)用。帶帽樁-網(wǎng)復(fù)合地基具有路堤總沉降和工后沉降量小，經(jīng)濟(jì)性好和能縮短施工工期的優(yōu)點(diǎn)。

有限元法是一種可以求解復(fù)雜工程問題的數(shù)值方法。它是建立在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)和工程問題基本理論的基礎(chǔ)上，對理論推導(dǎo)無法解決、室內(nèi)試驗(yàn)難以實(shí)施的工程問題進(jìn)行“數(shù)值模擬”的一種研究手段。本章運(yùn)用有限元分析軟件Abaqus研究路堤荷載下帶帽樁-網(wǎng)復(fù)合地基的力學(xué)性狀，為帶帽樁-網(wǎng)復(fù)合地基的工程實(shí)踐提供一定的參考和指導(dǎo)作用。

1 三維有限元模型的建立

1.1 基本假定

1)在路堤荷載作用下，樁、樁帽和土工格柵被視為各向同性線性均質(zhì)彈性體，不考慮格柵的非線性;

2)只考慮分析模型的初始應(yīng)力場，初始位移為零，且不考慮打樁的施工過程;

3)上層土、下層土、填土和墊層材料服從 M-C非線性彈性變形規(guī)律;

4)填土分期填筑，每層填土為瞬時(shí)加載，分析過程中樁土之間的摩擦系數(shù)保持不變。不考慮復(fù)合地基在荷載作用下的時(shí)間效應(yīng)，并假定在整個(gè)加載過程中產(chǎn)生的超孔隙水壓有足夠的時(shí)間消散。

1.2 工程簡述及幾何模型

工程模型:某路基工程，采用帶帽樁一網(wǎng)復(fù)合地基技術(shù)方案，各組成部分參數(shù)如下所述。

良好填土經(jīng)碾壓夯實(shí)后重度為γ=23.3 kN/m3，路堤填土高度H=4 m，路堤填土內(nèi)摩擦角φ=20°。

樁體為鋼筋混凝土樁，樁長L=25 m，樁徑d=0.6 m，樁間距 S=2.8 m，樁帽邊長 b=1.5 m，樁帽厚度 a=0.5 m，正方形布樁，穿透軟土層。

計(jì)算模型以路堤中心線為中線取四分之一對稱模型(如圖1、圖2)。為保證計(jì)算模型的收斂性和計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，計(jì)算范圍為:中線處與路堤延伸方向取樁間距中點(diǎn)作為中間邊界，路堤中線向里延伸方向取10倍樁徑即為6 m、中線法線方向即沿路堤橫鋪方向取距中線40 m、垂直方向即地表向下方向取二倍樁長即50 m。半幅路面寬12.5 m，路堤底寬19.4 m，路堤填土高度4 m，路堤邊坡為1∶1.5。自下而上三層碎石墊層厚度分別為15 cm、30 cm、15 cm，其間鋪設(shè)兩層土工格柵。地基采用雙層土，上下兩層土厚度均為25 m。

圖1 復(fù)合地基模型

圖2 樁體模型

1.3 材料本構(gòu)關(guān)系及參數(shù)選擇

樁和土工格柵采用線彈性模型，填土、墊層、地基土均采用M-C非線性模型。具體參數(shù)如表1。

表1 三維有限元模型主要參數(shù)

1.4 接觸面處理

對于非線性模型，接觸的設(shè)置對計(jì)算結(jié)果影響較大。本次模型，樁土接觸面和樁帽四周側(cè)壁與土體的接觸面采用主從接觸中的切向摩擦，樁底與土體、墊層與地基土體和樁帽設(shè)置節(jié)點(diǎn)變形協(xié)調(diào)的“TIE”法向接觸，只傳遞法向應(yīng)力。樁帽與樁帽下土體設(shè)置主從接觸中的法向接觸，只傳遞法向應(yīng)力。本模型共設(shè)置接觸對148個(gè)。

1.5 邊界條件及分析步設(shè)置

計(jì)算模型左側(cè)邊界和右側(cè)邊界為垂直于該面的鏈桿約束，模型前、后面為垂直于該面的鏈桿約束，底面為固定約束。

本次計(jì)算設(shè)置5個(gè)分析步。第一分析步為初始地應(yīng)力平衡分析步，其后將路堤填土分為4次加載，每次加載1 m。

1.6 計(jì)算方案簡述

首先，根據(jù)實(shí)際工程提供的相關(guān)資料，對算例進(jìn)行計(jì)算，對路堤荷載下帶帽樁—網(wǎng)復(fù)合地基的沉降變形、樁身軸力、樁側(cè)摩阻力和樁土應(yīng)力比進(jìn)行分析。在討論某一參數(shù)對復(fù)合地基工作性狀的影響時(shí)，其它參數(shù)與模型條件和基本算例相同。在分析計(jì)算過程中，將模型中第二排樁作為研究對象，其中中線處樁體設(shè)為1#樁，向側(cè)面依次為2#～7#樁體，除隨樁位的規(guī)律圖，其余均以1#樁作為研究對象。

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 帶帽樁—網(wǎng)復(fù)合地基沉降特性分析

路堤總沉降隨荷載和樁位變化見圖3和圖4。由圖3、圖4得出以下變形規(guī)律:

1)隨著填土荷載的增大，復(fù)合地基地表面的沉降量逐漸增大。

2)同一級(jí)填土荷載作用下，在路基中心線處，復(fù)合地基表面沉降達(dá)到了最大值。隨著距路堤中心距離增大，地基表面沉降逐漸減小。

2.2 帶帽樁—網(wǎng)復(fù)合地基樁身軸力分布特征

圖3 路堤總沉降隨荷載變化

圖4 路堤總沉降隨樁位變化

樁身軸力隨填土高度變化見圖5。由圖5可見，相同填土高度條件下，樁身軸力最大值出現(xiàn)在樁體中下部，樁身軸力隨著深度的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢;不同填土高度條件下，樁身軸力隨著填土高度的增加而增大。

樁身軸力隨樁位變化見圖6。由圖6可知，自路堤中線往兩端延伸，樁身軸力不斷減小，尤其靠近邊坡側(cè)樁身軸力減少很快。其中1#～4#樁身軸力非常接近，1#樁位樁身軸力達(dá)到最大值。這與路堤荷載的作用形式相符合。

圖5 樁身軸力隨填土高度變化

圖6 樁身軸力隨樁位變化

2.3 帶帽樁—網(wǎng)復(fù)合地基樁側(cè)摩阻力分布特征

樁側(cè)摩阻力隨填土高度變化見圖7。由圖7可見:路堤荷載下帶帽樁—網(wǎng)復(fù)合地基樁側(cè)摩阻力存在中性點(diǎn)(即正負(fù)摩阻力交界點(diǎn))，但樁帽的存在使其距離樁頂?shù)纳疃容^小。樁側(cè)摩阻力隨著填土高度的增加而增大，但其最大值不是發(fā)生在樁端，而是發(fā)生在樁端附近。這是由于樁端與樁端土體變形近似協(xié)調(diào)一致，未產(chǎn)生相對位移。隨著填土高度的增加，樁側(cè)摩阻力最大值有向下移動(dòng)的趨勢，并且隨著路堤填土高度的增加，中性點(diǎn)位置基本保持不變。

樁側(cè)摩阻力隨樁位變化見圖8，由圖8可見:隨著樁體距路堤中線距離的增大，樁側(cè)摩阻力呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢。越靠近外側(cè)，樁側(cè)負(fù)摩阻力絕對值越小，中性點(diǎn)越靠下。其中1#～4#樁的樁側(cè)摩阻力分布較為接近。

圖7 樁側(cè)摩阻力隨填土高度變化

圖8 樁側(cè)摩阻力隨樁位變化

2.4 帶帽樁—網(wǎng)復(fù)合地基樁土應(yīng)力比分布特征

樁土應(yīng)力比隨填土高度和樁位的變化見圖9。由圖9可見:樁土應(yīng)力比隨著填土高度的增加而增大。這是因?yàn)樘钔恋耐凉靶?yīng)、土工格柵的拉膜效應(yīng)、路堤剛度均隨著填土高度增加而增大，隨著填土高度的增加越來越多的荷載傳遞給了土體;樁土應(yīng)力比隨著樁體遠(yuǎn)離路堤中線而逐漸增大，其中，1#～5#樁的樁土應(yīng)力比較為接近，但是6#和7#樁的樁土應(yīng)力比有明顯的下降趨勢。這是因?yàn)榉牌露翁幱诘秃奢d水平，低荷載水平下樁土荷載分擔(dān)較為接近所致。

圖9 樁土應(yīng)力比隨填土高度和樁位的變化

3 結(jié)語

1)帶帽樁—網(wǎng)復(fù)合地基力學(xué)性狀隨著樁位的改變而改變。不同荷載水平作用下地基沉降隨著填土荷載的增大而增大。同一級(jí)填土荷載作用下，路堤總沉降隨著距中心距離的增大而逐漸減小。

2)相同填土高度條件下，樁身軸力隨著深度的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，自路堤中線往兩端延伸，樁身軸力不斷減小，尤其靠近邊坡側(cè)樁身軸力減少很快。不同填土高度條件下，樁身軸力隨著填土高度的增加而增大。

3)樁側(cè)摩阻力隨著填土高度的增加而增大，并且樁側(cè)摩阻力最大值有向下移動(dòng)的趨勢，但中性點(diǎn)位置基本保持不變。隨著樁體距路堤中線距離的增加，樁側(cè)摩阻力呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢。

4)樁土應(yīng)力比隨著填土高度的增加而增大，隨著樁體遠(yuǎn)離路堤中線而逐漸增大。

5)鑒于Abaqus有限元分析軟件自身的局限性和本人使用的熟練程度，本文未深刻考慮土工格柵加筋墊層中土工格柵的變形和受力特性，其中的一些假設(shè)也未能充分再現(xiàn)復(fù)合地基的真實(shí)受力和變形情況。有待以后進(jìn)一步研究.

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